C50泵送混凝土弹性模量影响因素的试验研究

陈洪光，许 将

(中铁隧道集团有限公司工程试验中心，河南洛阳 471009)

0 引言

弹性模量是混凝土重要的力学性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量其抵抗弹性变形能力大小的尺度。在混凝土工程中，除了主要以强度、坍落度和电通量等作为控制指标外，经常还需测定混凝土的弹性模量值，以便计算和控制构件的变形、裂缝的扩展及大体积混凝土的温度应力等。例如在预制梁的生产中，梁体混凝土弹性模量满足设计要求后才能进行终张拉［1］。对于混凝土本身而言，影响弹性模量的因素较多［2-3］，文献［3］通过单一的比对试验进行试验研究，但在低水胶比、双掺矿物掺合料的情况下，采用正交方案对多种影响因素进行研究并区分影响次序的研究相对较少，本文主要采用正交试验的方法，针对C50泵送混凝土弹性模量的影响因素进行研究。

1 试验方案及情况

1.1 试验方法

依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》［4］进行静力受压弹性模量试验。

1.2 试验仪器

TSY-2000电液压力试验机、TM-II型混凝土弹性模量测定仪(如图1所示)、千分表2块、机械秒表和钢直尺。

1.3 原材料情况

1)P·O52.5水泥。比表面积330 m2/kg;初凝135 min，终凝205 min;实测28 d抗压强度55.5 MPa;安定性沸煮法合格。

2)粉煤灰。I级粉煤灰。细度6.3%，烧失量2.2%，需水量比94%。

3)矿粉。S95矿粉。比表面积430 m2/kg;密度3.0 g/cm3;流动度比98%;烧失量2.8%;28 d活性指数100%。

4)细骨料。河砂。含泥量 1.8%，泥块含量0.4%，云母含量0.3%，轻物质含量0.3%，II区砂，细度模数2.9。

5)粗骨料。5～20 mm级配碎石，分别为玄武岩及花岗岩。玄武岩:压碎指标8%，针片状2%，含泥量0.4%，泥块含量0.1%，紧密孔隙率40%。花岗岩:压碎指标9%，针片状4%，含泥量0.5%，泥块含量0.1%，紧密孔隙率39%。

6)外加剂。聚羧酸减水剂(缓凝型)。减水率29%，含气量2.8%，泌水率比12%，7 d抗压强度比152%。

图1 TM-II型混凝土弹性模量测定仪Fig.1 TM-II elastic modulus testing device

1.4 正交试验方案

1.4.1 影响因素的选择

混凝土的弹性模量是材料本身固有的性质，因此，影响弹性模量的主要因素是混凝土的成分及其比例，也就是说选用的原材料及配合比的参数是影响弹性模量的主要因素;同时在工程实际中，为满足混凝土的物理力学性能、工作性能及耐久性能等，混凝土选用的原材料尤其是配合比的参数有边界条件。基于以上2点，本试验在保持胶凝材料总量不变，拌合物坍落度为200±20 mm的条件下，选取掺合料品种(100%粉煤灰、50%粉煤灰+50%矿粉、100%矿粉)、粗骨料品种(100%花岗岩、20%玄武岩+80%花岗岩、100%玄武岩)、水胶比(0.30，0.32 和 0.34)、砂率(37%、40%、43%)和掺合料的掺量(20%、25%、30%)进行研究;选取10 d强度及弹性模量和28 d强度及弹性模量作为考核指标。试件均为标准养护。

1.4.2 正交表

作为5因素3水平的正交试验，选用L18(37)正交表。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

如表1所示。

2.2 结果分析

如表2和表3所示。

表1 L18(37)试验方案及结果Table 1 Testing results

表2 试验结果分析Table 2 Analysis on 10-d testing results

表3 28 d试验结果分析Table 3 Analysis on 28-d testing results

2.2.1 强度

从表1的试验结果及表2和表3对结果的直观分析来看，对于10 d抗压强度，当水胶比为0.30～0.34，矿物掺合料掺量在20% ～30%，砂率在37% ～43%变化时，选用花岗岩或玄武岩，单掺粉煤灰或矿粉以及混掺的情况下，C50混凝土10 d抗压强度为51.5～65.6，均已超过设计强度等级。从极差分析来看，各因素的影响次序分别为:水胶比＞掺合料品种＞砂率＞粗骨料品种=掺合料掺量，说明水胶比对10 d强度的影响最大;其次掺合料品种极差R也相对较大，为3.1，说明矿物掺合料品种的选择也对混凝土早期强度有明显影响，掺入粉煤灰能调整混凝土的强度发展，早期强度会有所降低，矿粉的掺入则对早期强度有所增强。

对于28 d抗压强度，影响因素变为水胶比＞掺合料掺量＞砂率＞粗骨料品种＞掺合料品种，水胶比因素的极差为6.6，明显大于其他因素，其他因素极差相差不大，这说明混凝土28 d抗压强度也主要受水胶比影响。

2.2.2 弹性模量

对于10 d和28 d弹性模量，因素的影响次序为:粗骨料品种＞水胶比＞掺合料掺量＞掺合料品种＞砂率以及粗骨料品种＞掺合料掺量＞水胶比＞掺合料品种＞砂率，两者的粗骨料因素的极差明显大于其他因素，说明粗骨料的品种是影响混凝土弹性模量的主要因素，从图2可以看出，随着玄武岩比例的提高(0—20%—100%)，混凝土弹性模量变大。

图2 粗骨料品种的弹性模量极差曲线Fig.2 Coarse aggregate types vs elastic modulus

3 粗骨料品种对弹性模量影响的验证试验

通过第2部分的试验分析，得出粗骨料的品种是影响C50泵送混凝土弹性模量的主要因素。为了进一步研究粗骨料品种的影响，设计了一组比对试验，增加了石灰岩，并调整了玄武岩掺量，试验配合比及结果如表4所示。

从表4可以看出:花岗岩配制的C50混凝土无论是10 d还是28 d弹性模量均明显小于玄武岩和石灰岩，而将花岗岩与玄武岩对半混掺后对弹性模量有明显的改善，不同品种的粗骨料配制的混凝土弹性模量各有差异，但是花岗岩的结果同期比较都偏低。这也与正交试验的结果相符。

表4 比对试验及结果Table 4 Testing results

4 结论与讨论

1)当水胶比为0.30～0.34，矿物掺合料掺量在20% ～30%，砂率在37% ～43%变化时，选用花岗岩或玄武岩，单掺粉煤灰或矿粉以及混掺的情况下，C50泵送混凝土的10 d及28 d抗压强度主要影响因素是水胶比。

2)当水胶比在0.30～0.34，矿物掺合料掺量在20% ～30%，砂率在 37% ～43%变化时，选用花岗岩或玄武岩，单掺粉煤灰或矿粉以及混掺的情况下，C50泵送混凝土的10 d弹性模量的影响因素顺序是:粗骨料品种＞水胶比＞掺合料掺量＞掺合料品种＞砂率;28 d弹性模量的影响因素顺序是:粗骨料品种＞掺合料掺量＞水胶比＞掺合料品种＞砂率。粗骨料的品种是影响混凝土弹性模量的主要因素。

3)对于C50泵送混凝土而言，不同品种的粗骨料配制的混凝土弹性模量各有差异，其中花岗岩的结果相对较低。但在花岗岩中混掺入玄武岩可有效改善C50混凝土的弹性模量。

至于为什么不同品种的粗骨料导致混凝土弹性模量的差别，是由于花岗岩与玄武岩及石灰岩本身的弹性模量还是由于岩石的微观结构等有差别，或者是其他原因，有待于从力学、地质和混凝土材料学等方面做进一步理论研究。在工程实践中，本文的研究结果对配制有弹性模量要求的混凝土以及料源选定等可以起到良好的参考作用。

［1］ 铁建设［2010］241号 高速铁路桥涵工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［2］ 韩卫国，贾靖，顾大伟，等.对混凝土弹性模量影响因素的探讨［J］.山东建材，2002，22(1):23-24.(HAN Weiguo，JIA Jing，GU Dawei，et al.Discussion of the factors to influence concrete elasticity modulus［J］.Shandong Building Materials，2002，22(1):23-24.(in Chinese))

［3］ 刘尚，文翠翠.高性能混凝土弹性模量试验研究［J］.商品混凝土，2009(4):36-37.(LIU Shang，WEN Cuicui.Experiment research on elastic modulus of high performance concrete［J］.Ready-mixed Concrete，2009(4):36-37.(in Chinese))

［4］ GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.北京:中华人民共和国建设部，2002.